DE19721884C1 - Interferometric measuring arrangement for sensing rough surfaces - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Meßvorrichtung zur Formvermes sung an rauhen Oberflächen eines Meßobjekts mit einer Strahlungserzeugungseinheit, die eine kurzkohärente Strahlung abgibt, mit einem Strahlteiler zum Bilden eines Referenzstrahls, der auf eine Vorrichtung mit einem reflektierenden Element zum perio dischen Ändern des Lichtwegs gerichtet ist, und eines Meßstrahls, der auf das Meßob jekt gerichtet ist, mit einem Überlagerungselement, an dem der von dem Meßobjekt kommende Meßstrahl und der von der Vorrichtung kommende Referenzstrahl zur Inter ferenz gebracht werden, und mit einem Photodetektor, der die interferierte Strahlung aufnimmt.The invention relates to an interferometric measuring device for shape measurement solution on rough surfaces of a measurement object with a radiation generation unit, which emits a short coherent radiation, with a beam splitter to form a Reference beam that is directed to a device with a reflective element for perio dischen changing the light path is directed, and a measuring beam, which is on the Meßob ject is directed, with a superimposition element on which that of the measurement object incoming measuring beam and the reference beam coming from the device to the Inter be brought to the reference, and with a photodetector that detects the interfered radiation records.
Eine interferometrische Meßvorrichtung dieser Art ist in der Veröffentlichung T. Dresel, G. Häusler, V. Venzke "Three-Dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar", Appl. Opt., Vol. 3, No. 7, vom 01.03.1992 als bekannt ausgewiesen. In dieser Veröffentlichung wird ein Interferometer mit kurzkohärenter Lichtquelle und piezobe wegtem Spiegel zur Formvermessung an rauhen Oberflächen vorgeschlagen. In der Meßvorrichtung wird ein erster Teilstrahl in Form einer Lichtwelle, die von einem Meß objekt zurückgestrahlt ist, mit einem zweiten Teilstrahl in Form einer Referenzwelle überlagert. Die beiden Lichtwellen haben eine sehr kurze Kohärenzlänge (einige µm), so daß der Interferenzkontrast ein Maximum erreicht, wenn die optische Wegdifferenz null ist. Zum Ändern des Lichtwegs der Referenzwelle ist ein reflektierendes Element in Form eines piezobewegten Spiegels vorgesehen. Durch den Vergleich der Lage des piezobe wegten Spiegels mit der Zeit des Auftretens des Interferenzmaximums, läßt sich der Ab stand zum Meßobjekt bestimmen. Die genaue Erfassung der Lage des piezobewegten Spiegels ist relativ aufwendig.An interferometric measuring device of this type is described in the publication T. Dresel, G. Häusler, V. Venzke "Three-Dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar ", Appl. Opt., Vol. 3, No. 7, dated March 1, 1992 as known. In this Publication will be an interferometer with a short-coherent light source and piezobe moving mirror proposed for shape measurement on rough surfaces. In the Measuring device is a first partial beam in the form of a light wave emitted by a measuring object is reflected back with a second partial beam in the form of a reference wave overlaid. The two light waves have a very short coherence length (a few µm), see above that the interference contrast reaches a maximum when the optical path difference is zero is. A reflective element is in shape to change the light path of the reference wave a piezo-moving mirror is provided. By comparing the location of the piezobe moved mirror with the time of occurrence of the interference maximum, the Ab determine the status of the object under test. The exact detection of the position of the piezo-moving Mirror is relatively complex.
In der DE 195 22 262 A1 ist eine Heterodyn-Interferometer-Anordnung mit durchstimmbaren Lasern und parallel verschiebenden Anordnungen angegeben.DE 195 22 262 A1 includes a heterodyne interferometer arrangement tunable lasers and parallel shifting arrangements specified.
Die US 48 48 908 zeigt eine Heterodyn-Interferometer-Anordnung, bei der akustooptische Modulatoren verwendet werden.The US 48 48 908 shows a heterodyne interferometer arrangement in which acousto-optical modulators are used.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Meßvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der der Aufbau vereinfacht und die Meßge nauigkeit erhöht ist.The invention has for its object an interferometric measuring device Provide the type mentioned, in which the structure is simplified and the Meßge accuracy is increased.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist also vor gesehen, daß die Vorrichtung zum Ändern des Lichtwegs eine im Strahlengang ange ordnete parallelverschiebende Anordnung und dahinter ortsfest angeordnet das reflek tierende Element aufweist und daß im Strahlengang des Referenzstrahls vor der parallel verschiebenden Anordnung ein Kompensationsgitter angeordnet ist, an dem der Refe renzstrahl sowohl vor als auch nach dem Durchgang durch die parallelverschiebende Anordnung gebeugt wird. Durch die in dem Strahlengang angeordnete parallelver schiebende Anordnung und das dahinter ortsfest angeordnete reflektierende Element kommt die Meßvorrichtung ohne jegliches mechanisch bewegtes Teil aus, so daß die Meßempfindlichkeit gesteigert und mechanische Störeinflüsse ausgeschaltet werden. Durch das Kompensationsgitter werden zudem optische Störeinflüsse in Form einer Winkeldispersion und einer räumlichen Dekohärenz der Wellenfront beseitigt. Dadurch können relativ breitbandige Lichtquellen verwendet werden, wodurch die Auflösung des Meßsystems gesteigert wird. Bei relativ einfachem Aufbau wird somit eine hohe Meß genauigkeit erzielbar.This object is achieved with the features of claim 1. So after that is before seen that the device for changing the light path is one in the beam path arranged parallel shifting arrangement and behind it the reflector ting element and that in the beam path of the reference beam before the parallel displacing arrangement, a compensation grid is arranged on which the Refe renzstrahl both before and after the passage through the parallel shifting Arrangement is bowed. Due to the parallelver arranged in the beam path pushing arrangement and the fixed reflective element behind it the measuring device does not require any mechanically moving part, so that the Sensitivity increased and mechanical interference can be eliminated. The compensation grid also eliminates optical interference in the form of a Angular dispersion and spatial decoherence of the wavefront are eliminated. Thereby can be used relatively broadband light sources, whereby the resolution of the Measuring system is increased. With a relatively simple structure, a high measurement accuracy achievable.
Ist vorgesehen, daß die parallelverschiebende Anordnung eine im Strahlengang ange ordnete akustooptische Deflektoreinrichtung aufweist, daß das reflektierende Element als Reflexionsgitter ausgebildet ist und daß die Deflektoreinrichtung frequenzmoduliert angesteuert ist und in bezug auf den ankommenden Referenzstrahl sowie auf das Reflexionsgitter derart angeordnet ist, daß der zu dem Überlagerungselement geführte Referenzstrahl durch seine Ablenkung in der Deflektoreinrichtung die Änderung seines Lichtwegs erfährt, so kann der Lichtweg in genau definierter Weise einfach verändert und das Interferenzmaximum in Abhängigkeit des Lichtwegs eindeutig bestimmt wer den.It is provided that the parallel displacement arrangement is one in the beam path arranged acousto-optical deflector device that the reflective element is designed as a reflection grating and that the deflector device frequency-modulates is controlled and in relation to the incoming reference beam and the Reflection grating is arranged such that the led to the overlay Reference beam due to its deflection in the deflector device changing its Experiencing the light path, the light path can easily be changed in a precisely defined manner and who determines the interference maximum depending on the light path the.
Eine vorteilhafte Maßnahme zur Beseitigung der Winkeldispersion und der räumlichen Dekohärenz der Wellenfront besteht darin, daß die Gitterkonstante des Kompensations gitters zweimal so groß ist wie die Gitterkonstante des Reflexionsgitters.An advantageous measure for eliminating the angular dispersion and the spatial Decoherence of the wavefront is that the lattice constant of the compensation grating is twice the grating constant of the reflection grating.
Ist vorgesehen, daß das Kompensationsgitter und das Reflexionsgitter parallel zueinander angeordnet sind, so wird die räumliche Dekohärenz kompensiert.It is provided that the compensation grid and the reflection grid in parallel are arranged to each other, so the spatial decoherence is compensated.
Ein einfacher Aufbau der Meßvorrichtung, die zur Steigerung der Meßgenauigkeit bei trägt, besteht darin, daß das Kompensationsgitter reflektierend ausgebildet ist, daß im Strahlengang des Referenzstrahls zwischen dem Strahlteiler und dem Kompensations gitter ein Spiegel angeordnet ist, mit dem der Referenzstrahl auf dem Hinweg auf das Kompensationsgitter und auf seinem Rückweg auf den Strahlteiler gerichtet ist, der gleichzeitig das Überlagerungselement bildet.A simple structure of the measuring device, which to increase the measuring accuracy carries, is that the compensation grid is reflective that in Beam path of the reference beam between the beam splitter and the compensation a mirror is arranged with which the reference beam on the way to the Compensation grating and on its way back is directed to the beam splitter at the same time forms the overlay element.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt eine interferometrische Meßvor richtung 1 zur Formvermessung eines eine rauhe Oberfläche aufweisenden Meßobjekts 10. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the drawing. The figure shows an interferometric Meßvor device 1 for measuring the shape of a measurement object having a rough surface 10th
Eine Strahlungserzeugungseinheit in Form einer Lichtquelle 8 gibt eine kurzkohärente Strahlung ab, die mittels eines Strahlteilers 6 in einen Referenzstrahl 9 und einen Meß strahl 11 aufgeteilt wird. Der Meßstrahl 11 wird auf das Meßobjekt 10 gerichtet und von dort in der Einfallsrichtung zu dem Strahlteiler 6 zurück reflektiert. Der Referenz strahl 9 gelangt über einen Spiegel 5 und ein z. B. reflektierendes Kompensationsgitter 4 über eine parallelverschiebende Anordnung 2 mit zwei hintereinander geschalteten akustooptischen Deflektoren 2.1, 2.2 auf ein Retrogitter in Form eines Reflexionsgitters 3. Der Referenzstrahl 9 wird von dem Reflexionsgitter 3 in Einfallsrichtung reflektiert und gelangt über die parallelverschiebende Anordnung 2, das Kompensationsgitter 4 und den Spiegel 5 zu dem Strahlteiler 6, wo er mit dem von dem Meßobjekt 10 kom menden Meßstrahl 11 interferiert. Die interferierte Strahlung wird von dem Strahlteiler 6 auf den Photodetektor 7 geführt, der mit einer nicht gezeigten Auswerteschaltung verbunden ist, in der das Interferenzmaximum erfaßt wird, das den gleichen Lichtweg (gleiche Laufzeit) des Referenzstrahls 9 und des Meßstrahls 11 angibt.A radiation generating unit in the form of a light source 8 emits a short-coherent radiation, which is divided into a reference beam 9 and a measuring beam 11 by means of a beam splitter 6 . The measurement beam 11 is directed onto the measurement object 10 and is reflected back from there in the direction of incidence to the beam splitter 6 . The reference beam 9 passes through a mirror 5 and a z. B. reflective compensation grating 4 via a parallel displacement arrangement 2 with two acousto-optical deflectors 2.1 , 2.2 connected in series on a retro grating in the form of a reflection grating 3 . The reference beam 9 is reflected by the reflection grating 3 in the direction of incidence and passes through the parallel-shifting arrangement 2 , the compensation grating 4 and the mirror 5 to the beam splitter 6 , where it interferes with the measuring beam 11 coming from the measurement object 10 . The interfered radiation is guided from the beam splitter 6 to the photodetector 7 , which is connected to an evaluation circuit, not shown, in which the interference maximum is detected, which indicates the same light path (same transit time) of the reference beam 9 and the measurement beam 11 .
Die beiden akustooptischen Deflektoren 2.1, 2.2 werden mittels einer (nicht gezeigten) Treiberschaltung periodisch derart angesteuert, daß der aus dem Deflektor 2.1 aus tretende Referenzstrahl entsprechend periodisch abgelenkt wird, wie mit dem Doppel pfeil gekennzeichnet. Mit dem weiteren Deflektor 2.2 erfolgt eine Ablenkung des Re ferenzstrahls 9 in der entgegengesetzten Richtung wie mit dem ersten Deflektor 2.1, so daß der Referenzstrahl 9 in der Richtung aus dem weiteren Deflektor 2.2 austritt, in der er in den ersten Deflektor 2.1 eintritt, so daß eine sich im Betrag periodisch ändernde Parallelverschiebung ergibt. Der aus dem zweiten Deflektor 2.2 austretende Referenz strahl 9 fällt auf das Reflexionsgitter 3, das bezüglich des Referenzstrahls 9 schräg ausgerichtet ist. Die Neigung des Reflexionsgitters 3 ist so, daß der von ihm zurückgebeugte Referenzstrahl 9 unabhängig von dem Parallelversatz in die inter ferometrische Anordnung zu dem Strahlteiler 6 zurückverläuft. Der Interferenzkontrast hat ein Maximum, wenn der Referenzstrahl 9 und der Meßstrahl 11 die gleiche optische Strecke bzw. den gleichen Lichtweg zurücklegen.The two acousto-optical deflectors 2.1 , 2.2 are periodically controlled by means of a driver circuit (not shown) such that the reference beam emerging from the deflector 2.1 is periodically deflected accordingly, as indicated by the double arrow. With the further deflector 2.2 there is a deflection of the reference beam 9 in the opposite direction as with the first deflector 2.1 , so that the reference beam 9 emerges in the direction from the further deflector 2.2 in which it enters the first deflector 2.1 , so that there is a parallel shift that changes periodically in amount. The emerging from the second deflector 2.2 reference beam 9 falls on the reflection grating 3 , which is oriented obliquely with respect to the reference beam 9 . The inclination of the reflection grating 3 is such that the reference beam 9 which it bends back runs back to the beam splitter 6 regardless of the parallel offset in the interferometric arrangement. The interference contrast has a maximum if the reference beam 9 and the measuring beam 11 cover the same optical path or the same light path.
Da die beiden akustooptischen Deflektoren 2.1, 2.2 so angeordnet sind, daß die Winkel ablenkung des ersten Deflektors 2.1 in dem weiteren Deflektor 2.2 zurückgesetzt und der Referenzstrahl 9 nur parallel verschoben wird, wird der Lichtweg des Referenzstrahls 9 moduliert. Wenn die optische Wegdifferenz des Referenzstrahls 9 und des Meßstrahls 11 null ist, sieht auch der im Strahlengang angeordnete Photodetektor 7 das Interferenzmaximum. Durch den Vergleich des Zeitpunkts des Interferenzmaximums bzw. Signalmaximums des Photodetektors 7 mit der momentanen Frequenz der Trei berschaltung in der Auswerteschaltung läßt sich der Abstand zu dem Meßobjekt 10 genau bestimmen.Since the two acousto-optical deflectors 2.1 , 2.2 are arranged such that the angle deflection of the first deflector 2.1 is reset in the further deflector 2.2 and the reference beam 9 is only shifted in parallel, the light path of the reference beam 9 is modulated. If the optical path difference of the reference beam 9 and the measuring beam 11 is zero, the photodetector 7 arranged in the beam path also sees the interference maximum. By comparing the point in time of the interference maximum or signal maximum of the photodetector 7 with the instantaneous frequency of the driver circuit in the evaluation circuit, the distance to the measurement object 10 can be determined exactly.
Das Kompensationsgitter 4 ist vorzugsweise optisch parallel zu dem Reflexionsgitter 3 ausgerichtet und hat eine Gitterkonstante, die vorzugszweise doppelt so groß wie die Gitterkonstante des Reflexionsgitters 3 ist. Durch die zweimalige Beugung des Referenzstrahls 9 an dem Kompensationsgitter 4 wird die Winkeldispersion und die räumliche Dekohärenz der Wellenfront des Referenzstrahls kompensiert. Aufgrund dieser Kompensation können auch Lichtquellen 8 mit relativ großer Bandbreite verwendet wer den, wodurch die Auflösung der Meßvorrichtung 1 begünstigt wird.The compensation grating 4 is preferably aligned optically parallel to the reflection grating 3 and has a grating constant which is preferably twice as large as the grating constant of the reflection grating 3 . The two-way diffraction of the reference beam 9 on the compensation grating 4 compensates for the angular dispersion and the spatial decoherence of the wavefront of the reference beam. Because of this compensation, light sources 8 with a relatively large bandwidth can also be used, which favors the resolution of the measuring device 1 .
Claims (5)
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zum Ändern des Lichtwegs eine im Strahlengang ange ordnete parallelverschiebende Anordnung (2.1, 2.2) und dahinter ortsfest angeordnet das reflektierende Element (3) aufweist und
daß im Strahlengang des Referenzstrahls (9) vor der parallelverschiebenden Anordnung (2.1, 2.2) ein Kompensationsgitter (4) angeordnet ist, an dem der Referenzstrahl (9) sowohl vor als auch nach dem Durchgang durch die parallelverschiebende Anordnung (2.1, 2.2) gebeugt wird.1. Interferometric measuring device for shape measurement on rough surfaces of a measurement object with a radiation generating unit which emits a short-coherent radiation, with a beam splitter for forming a reference beam, which is directed onto a device with a reflecting element for periodically changing the light path, and a measuring beam, which is directed at the measurement object, with a superimposition element on which the measurement beam coming from the measurement object and the reference beam coming from the device are brought into interference, and with a photodetector which receives the interfered radiation,
characterized by
that the device for changing the light path is arranged in the beam path, arranged in parallel shifting arrangement ( 2.1 , 2.2 ) and behind it, the reflective element ( 3 ) and
that a compensation grating ( 4 ) is arranged in the beam path of the reference beam ( 9 ) in front of the parallel shifting arrangement ( 2.1 , 2.2 ), on which the reference beam ( 9 ) is diffracted both before and after passing through the parallel shifting arrangement ( 2.1 , 2.2 ) .
daß die parallelverschiebende Anordnung eine im Strahlengang angeordnete akustooptische Deflektoreinrichtung (2.1, 2.2) aufweist,
daß das reflektierende Element als Reflexionsgitter (3) ausgebildet ist und
daß die Deflektoreinrichtung (2.1, 2.2) frequenzmoduliert angesteuert ist und in bezug auf den ankommenden Referenzstrahl (9) sowie auf das Refle xionsgitter (3) derart angeordnet ist, daß der zu dem Überlagerungselement geführte Referenzstrahl (9) durch seine Ablenkung in der Deflektorein richtung (2.1, 2.2) die Änderung seines Lichtwegs erfährt.2. Measuring device according to claim 1, characterized in
that the parallel-shifting arrangement has an acousto-optical deflector device ( 2.1 , 2.2 ) arranged in the beam path,
that the reflective element is designed as a reflection grating ( 3 ) and
that the deflector device ( 2.1 , 2.2 ) is frequency-modulated and is arranged in relation to the incoming reference beam ( 9 ) and the reflection grid ( 3 ) in such a way that the reference beam ( 9 ) guided to the overlay element is deflected in the deflector device ( 2.1 , 2.2 ) experiences the change in its light path.
daß das Kompensationsgitter (4) reflektierend ausgebildet ist,
daß im Strahlengang des Referenzstrahls (9) zwischen dem Strahlteiler (6) und dem Kompensationsgitter (4) ein Spiegel (5) angeordnet ist, mit dem der Referenzstrahl (9) auf dem Hinweg auf das Kompensationsgitter (4) und auf seinem Rückweg auf den Strahlteiler (6) gerichtet ist, der gleichzeitig das Überlagerungselement bildet.5. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that
that the compensation grid ( 4 ) is reflective,
that a mirror ( 5 ) is arranged in the beam path of the reference beam ( 9 ) between the beam splitter ( 6 ) and the compensation grid ( 4 ), with which the reference beam ( 9 ) on the way to the compensation grid ( 4 ) and on its way back to Beam splitter ( 6 ) is directed, which simultaneously forms the superimposition element.
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| US-Z: DRESEL, Th. et al.: Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar, in: Applied Optics, Vol. 31, No. 7, 1 March 1992, S. 919-925 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6295132B1 (en) | 2001-09-25 |
| JP2002508838A (en) | 2002-03-19 |
| EP0983483A1 (en) | 2000-03-08 |
| DE59805115D1 (en) | 2002-09-12 |
| JP3842301B2 (en) | 2006-11-08 |
| EP0983483B1 (en) | 2002-08-07 |
| WO1998054542A1 (en) | 1998-12-03 |
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Legal Events
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| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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